На здобуття щорічної премії Президента України для молодих вчених



Скачати 109,72 Kb.
Дата конвертації06.06.2017
Розмір109,72 Kb.
ТипРеферат
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І

ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

Цикл робіт

на здобуття щорічної премії Президента України
для молодих вчених



«МЕТАГЕНОМНІ ТА ПРОТЕОМНІ ПІДХОДИ ДО ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ІОНІЗУЮЧОЇ РАДІАЦІЇ НА БІОРІЗНОМАНІТТЯ БАКТЕРІАЛЬНИХ І РОСЛИННИХ УГРУПОВАНЬ ЗОНИ ВІДЧУЖЕННЯ ЧОРНОБИЛЬСКОЇ АЕС»



ПАРЕНЮК Олена Юріївна –

кандидат біологічних наук,

старший науковий співробітник науково-дослідної теми 110/1м-пр

НУБіП України


ДАНЧЕНКО Максим Миколайович

науково-технічний співробітник

відділу рікетсіології,

Інституту вірусології

Біомедичного дослідницького центру Словацької академії наук




Реферат





2017

Актуальність роботи. Аварія на Чорнобильській АЕС призвела до масштабних викидів радіоактивних речовин у навколишнє середовище, що спричинило вивід із господарського використання майже 23000 км2 земельних угідь, екосистеми яких зазнали початковий гострий і досі відчувають хронічний вплив малих доз іонізуючого опромінення. Це приводить до змін на всіх рівнях екосистем. Деякі з яких, такі як загибель рослин через екстремально високі дози, отримані під час первинного викиду, є доволі очевидними та добре вивченими. Інші ж, зокрема зміни в геномі і протеомі рослин, зміна структури ґрунтової мікрофлори, можуть призвести до менш очевидних, але радикальних змін.

Роботи, що представлені у поданому циклі, викликали широкий інтерес у міжнародної спільноти та були підтримані низкою конкурсних стипендій для наукових стажувань: а) гранти Національної стипендійної програми Словаччини вересень 2011 – травень 2012 і листопад – грудень 2015; б) програма «Next Generation Sequencing: data generation, analysis and application to phylogenetics» (Москва, Росія), вересень – жовтень 2014; в) стипендія CNRS for a «short-term research stay» (Laboratoire de Chimie Nucléaire Analytique et Bioenvironnementale, Бордо, Франція) листопад – грудень 2010; г) курс МАГАТЕ RER/7/005 (Афіни, Греція) жовтень 2010.

Актуальність даної наукової роботи, зумовлена практично відсутністю даних щодо інтегральної відповіді редукуючої (мікроорганізми грунту) і продукуючої (рослини) ланок екосистем на забруднення радіонуклідами. Зокрема, результати щодо хронічного впливу низьких доз на структуру мікробоценозу ґрунту та змін протеому рослин, досі не було опубліковано в жодному світовому журналі. Роботи, представлені у даному циклі, присвячені саме вивченню впливу радіонуклідного забруднення ґрунту на малорухомі компоненти екосистем – мікроорганізми та рослини. Автори пропонують до розгляду дані, отримані на унікальному полігоні, доступ до якого ускладнений для науковців. Саме можливість працювати у зоні відчуження Чорнобильської АЕС, ускладнена обмеженим доступом і складністю оформлення дозвільної документації та застосування новітніх методик для вивчення впливу хронічного опромінення на біоту і зумовило отримання даних, аналогів яких, ще не опубліковано ніде у світі.

Наразі у світі діє лише три колективи, що вивчають вплив радіонуклідів на структуру угруповання мікроорганізмів ґрунту (команда під керівництвом В. Шапон з IRSN у Франції, лабораторія під керівництвом Т. Такахаші з університету Токіо та група, до якої входять автори представленого циклу робіт), в той час, як робіт, що розглядають інтегральну відповідь системи мікроорганізмів і рослин на радіонуклідне забруднення (а, отже, існування в умовах хронічної дії низьких доз) на молекулярному рівні, досі не було опубліковано.



Мета і завдання роботи. Метою роботи було оцінити відповідь малорухомих компонентів екосистем (бактеріальних і рослинних угруповань) на радіонуклідне забруднення ґрунту та виявлення особливостей переходу 137Cs з ґрунту в різні види сільськогосподарських рослин, за допомогою сучасних методів аналізу.

Поставлена мета зумовила необхідність вирішення таких завдань:



  • Визначити кількісний і видовий склад ґрунтового мікробоценозу забруднених радіонуклідами ґрунтів зони відчуження та зони безумовного (обов’язкового) відселення та оцінити сезонну динаміку кількості еколого-трофічних груп мікроорганізмів на досліджуваних територіях;

  • Ідентифікувати домінуючі види ґрунтових бактерій та сформувати колекцію;

  • Провести порівняльний аналіз здатності до акумуляції 137Cs мікроорганізмами, виділеними із забруднених радіонуклідами ґрунтів, та культур із колекції Інституту мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України;

  • Визначити вплив обраних мікроорганізмів на надходження 137Cs у рослини;

  • Оцінити загальний фізіологічний стан насіння хронічно опромінених рослин, шляхом порівняння морфометричних вимірювань;

  • Системно проаналізувати функціональні зміни протеому рослин, внаслідок зростання у середовищі поблизу Чорнобильської АЕС;

  • Інтегрувати отриману інформацію молекулярних змін у концептуальні моделі реакцій сої та льону, виявивши потенційно критичні для виживання в умовах шкідливого впливу хронічного опромінення білки, а також створити модель змін протеому за дії хронічного опромінення, підкресливши універсальні та видоспецифічні реакції.

  • Охарактеризувати динамічні тренди протеому протягом різних фаз розвитку насіння другого покоління в умовах чорнобильської зони відчуження;

  • Розробити концепцію інтегрального вивчення екосистем зони відчуження Чорнобильскої АЕС, за допомогою сучасних метагеномних та протеомних підходів.

При виконанні роботи були використані класичні мікробіологічні методики (визначення кількісного складу і структури еколого-трофічних груп проводили методом висіву ґрунтової суспензії на селективні та елективні поживні середовища, аналіз лляних тест-систем здійснювали за допомогою конфокальної мікроскопії); ідентифікацію видів мікроорганізмів проводили молекулярно-генетичними методами; коефіцієнт переходу радіонукліду та його модифікацію оцінювали за допомогою постановки модельних експериментів, а радіоактивність зразків визначали за допомогою гамма-спектрометрії; якісний аналіз виділеного протеому рослин проводили методом двовимірного гель електрофорезу із кількісним фарбуванням та статистичним аналізом за допомогою програми "ImageMaster"; для ідентифікації білків використали ультрависокоефективну рідинну хроматографію на колонках зворотної фази, поєднану із тандемною мас-спектрометрією; пошук співпадінь у базах даних, функціональну анотацію та встановлення субклітинної локалізації ідентифікованих білків, здійснено із використанням біоінформатичних алгоритмів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено ідентифікацію мікроорганізмів, що домінують у забруднених радіонуклідами ґрунтах. Вперше оцінено динаміку кількості еколого-трофічних груп ґрунтових мікроорганізмів. Визначено здатність до акумуляції 137Cs мікроорганізмами, виділеними із забруднених радіоактивними речовинами ґрунтів, а також бактерій-компонентів бактеріальних добрив із колекції Інституту мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України. Досліджено вплив перелічених мікроорганізмів на перехід 137Cs у рослини озимого ріпаку. Вперше було проаналізовано протеоми насіння сої та льону, вирощеного на забруднених радіонуклідами територіях та визначено клітинні процеси, змінені внаслідок дії малих доз на насіння. Кількісний високоефективний аналіз протеому дав можливість пояснити механізми, за допомогою яких ці рослини здатні витримати хронічне опромінення. Слід зазначити, що ця робота є першим комплексним дослідженням протеому рослин, вирощених у забрудненій зоні поблизу Чорнобильської АЕС, а також новим аналізом відповіді мікробних угруповань на радіонуклідне забруднення ґрунту.

Ключові результати дослідження. На основі аналізу видового складу мікробоценозу, забруднених радіонуклідами ґрунтів зони відчуження і зони безумовного (обов’язкового) відселення Чорнобильської АЕС, виділено та ідентифіковано 11 видів мікроорганізмів, що домінували у всіх розглянутих у роботі пунктах відбору проб. За результатами висівів ґрунтової суспензії на селективні середовища, показано динаміку кількості еколого-трофічних груп ґрунтових мікроорганізмів. Виявлено достовірну кореляцію між питомою активністю 137Cs у ґрунті і динамікою кількості мікроорганізмів-амоніфікаторів. Обраховано коефіцієнти мінералізації органічних сполук мікробоценозами та оліготрофності ґрунтів. Значення коефіцієнта мінералізації коливаються в межах 0,15 – 3,10 (невелика інтенсивність мінералізації органічних сполук азоту), отже, на всіх досліджених ділянках відбуваються процеси накопичення органічних решток і процеси гуміфікації. Це свідчить про відновлення природнього гомеостазу ґрунтів в умовах обмеженого антропогенного тиску. Коефіцієнти оліготрофності вказують на вплив господарської діяльності людини на структуру ґрунтового мікробоценозу в точці біля с. Хочева, де ведуться покоси. Показано, що інтенсивність ферментативної целюлозолітичної активності ґрунтових мікроорганізмів у розглянутих екосистемах стабільна у часі, що свідчить про високу буферність ґрунту. Достовірної залежності швидкості руйнування рослинних решток від ступеня радіонуклідного забруднення ґрунту виявлено не було.

Встановлено, що штам Bacilus megaterium УКМ В-5724 із колекції академічного інституту, порівняно з мікроорганізмами-компонентами біоценозів забруднених радіонуклідами ґрунтів, має підвищену здатність до накопичення 137Cs. Встановлено, що мікроорганізми окремих видів можуть модифікувати коефіцієнт переходу 137Cs із субстрату в рослини. Показано, що дана властивість не залежить від локалізації мікроорганізму на поверхні кореня, адже всі проаналізовані бактерії належали до групи таких, що колонізують ризосферу рослини. Найбільше, в 1,5 рази, перехід радіонукліда із субстрату в рослини стимулював штам Azotobаcter chroococcum УКМ В-6003-20A, а найкращий показник щодо зниження накопичення 137Cs ріпаком, у 1,3 рази, спостерігався після інокуляції насіння штамом Burkholderia sp IMER-B1-53.

Використовуючи двовимірний гель електрофорез із стрічками рН градієнту вузького діапазону, було вперше розділено і кількісно проаналізовано зміни кількох сотень білків зрілого насіння сої та льону в умовах радіонуклідного забруднення; виявилось, що зростання у середовищі чорнобильської зони спричинило помітні зміни протеому досліджених рослин – 9,2% білків сої та 4,9% білків льону. Внаслідок зростання та розвитку на забрудненій радіонуклідами ділянці, змін зазнали наступні функціональні групи білків зрілого насіння сої: запасні білки, ріст клітин, стресові, первинний метаболізм, транспортери, сигналінг та пакування білків. У льону аналогічний ефект спостерігався для: сигналінг (зокрема ліпоксигеназа та молекулярний адаптер), первинний метаболізм (гліколіз), транспортери, транскрипція, синтез білків, пакування білків (шаперони), стресові, вторинний метаболізм та некласифіковані.

Концептуальна модель реакції сої на хронічне опромінення включає: а) зміну балансу запасних білків (гліциніни G1/G2; α-, α'- і β-субодиниці β-конгліциніну), б) неспецифічну реакцію-пристосування до важких металів (дегідрини та захисна система цистеїну), в) специфічний захист від радіаційного пошкодження (гліцин бетаїн). Мережа функціональних взаємодій молекулярних реакцій льону, де первинні події вибирались виходячи із кількості змінених внаслідок хронічного опромінення споріднених груп білків, розпочинається трьома блоками: а) сигналінг, б) відповідь на стрес, в) транскрипція. Вперше отримано інформацію динаміки змін 211 білків сої та 79 білків льону протягом дозрівання насіння другого покоління за впливу хронічного опромінення. Молекулярні зміни сої вказали на перенаправлення метаболізму вуглецю в цитоплазмі/хлоропластах та активацію циклу трикарбонових кислот у мітохондріях; для льону першочергово спостерігались ефекти пов’язані із накопиченням олії. Побудована концепція показала, що специфічними для сої були зміни запасних білків, опосередковані транспортерами, а унікальними для льону – підлаштований сигналінг із впливом на алармони та зворотне фосфорилювання. З іншого боку, універсальні реакції включали: 1) підвищену активність експресії генів із наслідками на синтез і пакування білків, 2) перенаправлення первинного метаболізму (завдяки мультифункціональним ензимам гліколізу) на синтез гліцин бетаїну, фітохелатинів і дегідринів.

Вивчення інтегральної відповіді екосистеми на забруднення радіонуклідами потребує застосування новітніх метагеномних та протеомних методів, що дозволяють оцінити вплив хронічного опромінення на молекулярному і клітинному рівнях. Такий підхід дозволить більш точно оцінити необхідність проведення контрзаходів на забруднених радіонуклідами ділянках і дасть змогу точніше адаптувати їх, для використання у конкретних екосистемах.

Практична значимість. Цикл робіт, представлений Паренюк О.Ю. та Данченко М.М. є прикладом вдалої міжнародної співпраці. Це дозволило залучити новітні аналітичні технології для вирішення актуальних питань української науки. Так, авторами встановлено закономірності відповіді малорухомих елементів екосистеми на радіонуклідне забруднення, а саме визначено здатність ґрунтових мікроорганізмів до акумуляції радіонуклідів та до модифікації їх переходу в рослини. У свою чергу, за допомогою пошукової протеоміки, що дозволяє одночасний кількісний аналіз кількох сотень білків, для рослин встановлено механізм молекулярної відповіді на зростання в умовах хронічного опромінення, та знайдено ключові клітинні процеси, які зазнали змін. Отримані дані розміщені в інтернет базах даних, відкритих для загального користування, що робить важливий внесок у публічність досягнень української науки та стимулює ефективну міжнародну наукову співпрацю, для вирішення питань наслідків радіонуклідного забруднення територій. Результати наукових досягнень колективу авторів неодноразово висвітлювались у вітчизняних і міжнародних засобах масової інформації.

Робота виконувалася протягом 2010-2016 рр. в рамках наступних державних тем і проектів: «Вивчити зміни фізико-хімічного стану, рухомості та біологічної доступності радіонуклідів 90Sr і 137Cs під впливом мікрофлори грунту» (номер державної реєстрації – 0110U003582; 2010–2014 рр.); «Закономірності впливу радіонуклідного забруднення території на біорізноманіття ґрунтової мікрофлори» (номер державної реєстрації – 0116U0061585; 2016–2019 рр.); тема Інституту клітинної біології та генетичної інженерії III-4-13 "Роль епігеномних механізмів у адаптогенезі рослин" (2013-2017); персональний грант Національної академії наук України для молодих учених II-15-11 "Дистанційний моніторинг та молекулярно-генетична оцінка адаптації рослин в умовах чорнобильської зони відчуження" (2011-2012); проект Сьомої рамкової програми Європейського Союзу IRSES-GA-2013-612587 „Plant DNA tolerance“ (2014-2017).

Роботу виконано на кафедрі радіобіології та радіоекології НУБіП України, Науково-дослідному інституті сільськогосподарської радіології НУБіП України, Інституті клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Інституті вірусології Словацької академії наук та в зоні відчуження Чорнобильскої АЕС.

Результати досліджень за цією роботою використовуються у наукових і освітніх установах, які вивчають вплив радіонуклідного забруднення як на окремі компоненти, так і на екосистему в цілому. Також врахування отриманих результатів є важливими для моделювання відповіді екосистеми на антропогенне радіонуклідне забруднення, зокрема при плануванні контрзаходів.

Результати наукової роботи пройшли апробацію на 41 вітчизняній і міжнародній конференціях, зокрема конгресах Міжнародного товариства мікробних екологів ISME (Копенгаген, 2012 та Сеул, 2014), конгресі радіоекологів (Барселона, 2015) і конференціях Міжнародного товариства протеоміки рослин (Гамбург, 2014 та Братислава 2016).

В цілому, за темою роботи опубліковано 74 наукових праці, з яких, статей у виданнях, що індексуються в Scopus – 10, статей у інших фахових та наукових виданнях – 12, матеріалів наукових конференцій – 51, методичних рекомендацій – 1 (відповідно до списку праць). Загальний індекс цитування авторів згідно наукометричної бази Scopus (h-індекс) становить 7, а загальна кількість посилань на публікації авторів – 104.



Автори: Паренюк Олена Юріївна

Данченко Максим Миколайович


Каталог: sites -> default -> files
files -> Положення про порядок підготовки фахівців ступенів доктора філософії та доктора наук в аспірантурі (ад’юнктурі) та докторантурі вищих навчальних закладів
files -> Відділ аспірантури та докторантури Уманського державного педагогічного університету імені Павла Тичини
files -> Київський національний університет імені Тараса Шевченка
files -> Програма вступного іспиту до аспірантури зі спеціальності 22. 00. 03 соціальні структури та соціальні відносини Затверджено
files -> Культура Античності. Культура Давньої Греції
files -> Системотехнічні засади та інструментально-програмні засоби створення та підтримки цифрових словників сидорчук надія Миколаївна
files -> Міністерство освіти І науки україни державний економіко-технологічний університет транспорту
files -> Конспект лекцій для студентів усіх спеціальностей освітньо-кваліфікаційних рівнів «спеціаліст»,
files -> Конструкції для енергоефективного відновлення забудови, постраждалої від надзвичайних ситуацій


Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2019
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка